湿度传感器

湿度传感器

引言

很多行业中，如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格．目前，在低温条件下(通常指100％以下)，湿度的测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业．

另有许多行业需要在高温环境下测量湿度，如航空航天、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高温实验箱、高炉等场合．这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想．另外，在恶劣条件下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业气体时，将使精度大大降低…。

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于 90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

1 湿度定义

空气的干湿程度叫做湿度，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示．通常空气的温度越高，最大湿度就越大。

干空气与湿空气（Dry air and Wet air） 通常把不包含水汽的空气称为干空气，把包含干空气与水蒸汽的混合气体称为湿空气。

饱和蒸汽压（Saturation pressure of water vapor）

由饱和蒸汽产生的部分压力，称为该温度下的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压仅与空气的温度有关，不受压力影响。

水饱和蒸汽压与温度关系如下图：

水饱和蒸汽温度73814042453010132510019934602338201227106110256-10103-20压(pa)℃-20 0 20 40 60 80 100 1010101010温度水饱和蒸汽压10654321/℃(pa)

绝对湿度(Absolute humidity)

绝对湿度是指在一定温度和压力条件下， 每单位体积（1m3）的混合气体中所含水蒸气的质量（g），单位为g/m3，一般用符号AH表示。它的极限是饱和状态下的最高湿度．绝对湿度只有与温度联系起来才有意义，因为空气中湿度随温度而变化．其表达式为：

式中的M为水汽的摩尔质量，R为理想气体常数，T为空气的绝对温度。

相对湿度（Relative humidity）

相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，常表示为％RH，亦即

式中Pw只为与待测空气温度T同温时水的饱和水气压。由于水汽的饱和气压会随着气温增高而增加，因此相对湿度相同的情况下，气温高时空气中的水汽重量比气温低时大，平时我们说空气很湿，就是表示空气相对湿度较大。

根据气体定律, 水蒸气的质量正比于水蒸气分压，所以，气体中的水蒸气分压（e）与该温度气体饱和水蒸气压（ｅs）的比，用百分比表示。表示∶RH=e/es×100%。相对湿度最常用。

相对湿度为100％的空气就是水蒸气饱和的空气．相对湿度同样也与温度联系起来才有意义．通过相对湿度和温度也可以换算出表示温度的其他参数．相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。

露点与霜点（Dew Point and Frost Point）

湿空气在气压不变条件下使其所含水蒸汽达到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度或露点。若露点温度低于0℃，水汽实际将凝结成霜，称为霜点温度或霜点。

106105104103102101-20 0 20 40 60 80 100

温度/℃水饱和蒸汽压(pa)如果绝对湿度不变:则温度增加RH减小温度降低RH增加右图的例子:30 ℃, RH=50%到10 ℃左右结露,若升高到60 ℃,RH降到10% 2 湿度传感器的分类

湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关 湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地 测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。

湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数 等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离 子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生 化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前 应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感 器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。

2．1电解质湿敏传感器

利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。从1938年 顿蒙发明这种元件以来，在较长的使用实践中，对氯化锂的载体及元件尺寸作了许多改进，提高了响应速度和扩大测湿范围。氯化锂湿敏元件的工作原理是基于湿度 变化能引起电介质离子导电状态的改变，使电阻值发生变化。结构形式有顿蒙式和含浸式。顿蒙式氯化锂湿敏元件是在聚苯乙烯圆筒上平行地绕上钯丝电极，然后把 皂化聚乙烯醋酸酯与氯化锂水溶液混合液均匀地涂在圆筒表面上制成，测湿范围约为相对湿度30%。含浸式氯化锂湿敏元件是由天然树皮基板用氯化锂水溶液浸泡 制成的。植物的髓脉具有细密的网状结构，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式湿敏元件，采用两种不同浓度的氯化锂水溶液浸泡多孔无 碱玻璃基板（孔径平均500埃），可制成测湿范围为相对湿度20～80%的元件。

氯化锂湿敏电阻

结构如右图：

氯化锂湿度电阻特性曲线如左图

吸附脱附15℃7.06.56.05.55.04.54.0405060708090相对湿度 / %RH电阻值的对数 /12341—引线；2—基片；3—感湿层；4—金电极

氯化锂元件具有滞后误差较小，不受测试环境的风速影响，不影响和破坏被测湿度环境等优点，但因其基本原 理是利用潮解盐的湿敏特性，经反复吸湿、脱湿后，会引起电解质膜变形和性能变劣，尤其遇到高湿及结露环境时，会造成电解质潮解而流失，导致元件损坏。

2.2高分子材料湿敏传感器

利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介 质，可做成电容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻变化式湿敏元件。常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙和硝酸纤维素等。高分子湿敏元 件的薄膜做得极薄，一般约5000埃，使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差，响应速度快。这种湿敏元件的缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元 件也不能耐80℃以上的高温。

2.3、金属氧化物膜湿敏传感器

许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜 可制作多种湿敏元件。把铝基片置于草酸、硫酸或铬酸电解槽中进行阳极氧化，形成氧化铝多孔薄膜，通过真空蒸发或溅射工艺，在薄膜上形成透气性电极。这种多 孔质的氧化铝湿敏元件互换性好，低湿范围测湿的时间响应速度较快，滞后误差小，常用于高空气球上测湿。四氧化三铁胶体的优点是固有电阻低，长期置于大气环 境表面状态不会变化，胶体粒子间相互吸引粘结紧密等。它是一种价廉物美，较早投入批量生产的湿敏元件，在湿度测量和湿度控制方面都有大量应用。

2.4半导体陶瓷湿度传感器

如MgCr2O4-TiO2湿敏传感器．它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。

以MgCr2O4-TiO2为例说明其典型结构．如图所示，在MgCr2O4-TiO2：陶瓷片的两面，设置高金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起．在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铅丝烧制两成的加热清洗圈，谈便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染．元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上．为消除底座上测量电极2程3之间由于吸温和污染而引起漏电．在电极2和3的四周设置金短路环。

MgCr2O4-TiO2湿敏元件结构

陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化，从而湿度信息转化为电信号。

显然，这类传感器适合于高温和高湿环境中使用，也是目前在高温环境中测湿的少数有效传感器之一。

2.5、热敏电阻式湿度传感器

利用热敏电阻作湿敏元件。传感器中有组成桥式电路的珠状热敏电阻R1和R2,电源供给的电流使R1、 R2保持在200℃左右的温度。其中R2装在密封的金属盒内，内部封装着干燥空气，R1置于与大气相接触的开孔金属盒内。将R1先置于干燥空气中，调节电 桥平衡，使输出端A、B间电压为零，当R1接触待测含湿空气时，含湿空气与干燥空气产生热传导差，使R1受冷却，电阻值增高，A、B间产生输出电压，其值 与湿度变化有关。热敏电阻式湿敏传感器的输出电压与绝对湿度成比例，因而可用于测量大气的绝对湿度。传感器是利用湿度与大气导热率之间的关系作为测量原理 的，当大气中混入其他特种气体或气压变化时，测量结果会有程度不同的影响。此外，热敏电阻的位置对测量也有很大影响。但这种传感器从可靠性、稳定性和不必 特殊维陶瓷基片固定端子金属电极加热线圈湿敏陶瓷片引线护等方面来看，很有特色，现已用于空调机湿度控制，或制成便携式绝对湿度表、直读式露点计、相对湿度计、水分计等。

2.6、红外线吸收式湿度传感器

利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成的湿度传感器。60年代中期，美国气象局以波长为1.37微米和 1.25微米的红外光分别作敏感光束和参考光束，研制成红外线吸收式湿度传感器。这种传感器采用装有λ0滤光片和λ 滤光片的旋转滤光片，当光源通过旋转滤光片时，轮流地选择波长为λ0和λ 的红外光束,两条光束通过被测湿度的样气抵达光敏元件,由于波长为λ0的光束不被水蒸气吸收，其光强仍为I0，波长为λ的光束被水蒸气部分吸收，光强衰减 为I。根据光强度的变化，将光敏元件上的信号处理后可获得正比于水蒸气浓度 c的电信号。红外线吸收式湿度传感器属非水分子亲和力型湿敏元件，测量精度和灵敏度较高，能够测量高温或密封场所的气体湿度，也能解决其他湿度传感器不能 解决的大风速或通风孔道环境中的湿度测量问题。缺点是结构复杂，光路系统存在温度漂移现象。